DK178395B1 - Syvcylindret totakts krydshovedmotor med et akselsystem - Google Patents

Abstract

En syvcylindret totakts krydshovedmotor (l) har et akselsystem omfattende en krumtapaksel (2), der gennem i det mindste en propelleraksel (3) er koblet direkte til propelleren (4) i et skib. Akselsystemets egenfrekvens for torsionssvingningsformen med to knudepunkter (k) er beliggende i intervallet fra 8,5-12,0 x MCR, hvor MCR er motorens omdrejningstal (rpm) ved fuld motorbelastning.

Description

Opfindelse angår en syvcylindret totakts krydshovedmotor og et akselsystem, hvilket akselsystem omfatter motorens krumtapaksel og i det mindste en propelleraksel, som kobler krumtapakslen direkte til en skibspropeller.

Fra dansk patentansøgning nr. PA 1999 01634 kendes en syvcylindret motor med et akselsystem, hvis énknude torsionssvingning har egenfrekvens ved motorens omdrejningstal ved fuld motorbelastning.

Den direkte kobling mellem krumtapakslen og propelleren betyder, at den mellemliggende akselforbindelse ikke indeholder noget gear, og at propelleren har samme omdrejningstal (rpm) som krumtapakslen. Den mellemliggende akselforbindelse indeholder en propelleraksel, der passerer ud gennem stævnrøret i skibsskroget, og eventuelt en eller flere mellemaksler, alt efter afstanden mellem motor og propelleraksel.

Motorens krumtapaksel er et væsentligt element både i akselsystemet og i motoren, men det er et problem, at ønskerne til krumtapakslens udformning set fra motorens side er modstridende med ønskerne set fra akselsystemets side. Ved totakts fremdrivningsmotorer med syv cylindre er problemet særlig udtalt, idet motoren gerne vil have en krumtapaksel med relativt lille masse, medens akselsystemet traditionelt set har behov for en krumtapaksel med relativt stort masseinertimoment.

Den foreliggende opfindelse har til formål at anvise en ny løsning på dette klassiske problem.

Med henblik herpå er motoren ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at akselsystemet er udformet således, at akselsystemets egenfrekvens for torsionssvingningsformen med to knudepunkter er beliggende i intervallet fra 8,5-12,0 x MCR, hvor MCR er motorens omdrejningstal (rpm) ved fuld motorbelastning.

Motorens omdrejningstal ved fuld motorbelastning er for en given motorstørrelse af betydning for den effekt, motoren yder, og er kendt på et tidligt tidspunkt af motorens udformning, ligesom det også er tilfældet for boringen, slaglængden, og cylinderens middeltryk. Ved at udforme akselsystemet med en egenfrekvens for torsionssvingningsformen med to knudepunkter beliggende i nævnte interval, har akselsystemet relativt lille vridningsstivhed i forhold til sin masse, og det tillader krumtapakslen at være af et materiale af højere styrke og at have mindre masse.

Anvendelsen af et aksel materiale med højere styrke betyder, at spændingsniveauet i materialet kan være højere, og at akslen for uændrede belastningerne kan udføres med mindre tværsnitsareal og dermed mindre masse. Det mindre tværsnitsareal medfører, at akslens vridningsstivhed bliver mindre. Hvis egenfrekvensen bliver lavere end 8,5 x MCR, bliver akslen for blød i vridningsmæssig henseende.

Med den aktuelle egenfrekvens for torsionssvingningsformen med to knudepunkter, vil torsionssvingningerne af 9. - 11. orden kunne bidrage til torsionsspændingerne i akslen. I nogle tilfælde kan bidragene være uden væsentlig betydning for det samlede spændingsniveau, medens spændingerne i andre tilfælde kan være større end ønskeligt, navnlig i hovedleje-sølerne. I sidstnævnte tilfælde kan der kompenseres herfor ved at tilpasse motorens tændingsvinkler således, at summen af de varierende torsionssvingningsbidrag til 11. ordens svingningerne mindskes. I en sådan udførelsesform er tændingsvinklerne (α1-α7) for cylindrene C1-C7 beliggende i intervallerne hhv. 358-2°, 105,9-109,9°, 257,1-259,1°, 211,7-215,7°, 155,3-159,3°, 314,6-318,6° og 57,4-61,4°, idet nummereringen af de syv cylindre er regnet enten fra motorens forende eller fra motorens bagende, og mest foretrukken er tændingsvinklerne 0° for C1,107,9° for C2, 257,1° for C3, 213.7° for C4,157,3° for C5, 316,6° for C6 og 59,4° for C7.

Eksempler på udførelsesformer for motoren ifølge opfindelsen forklares herefter nærmere med henvisning til den meget skematiske tegning, hvorpå fig. 1 viser en krydshovedmotor ifølge opfindelsen, fig. 2 en skitse af torsionssvingningsformen med to knudepunkt, og fig. 3 et diagram visende et eksempel på tændingsvinkler for i motoren i fig. 3.

I fig. 1 ses en syvcylindret krydshovedmotor 1 af dieseltypen, der eksempelvis kan anvende olie og/eller gas som brændsel. En sådan motors opbygning er velkendt, og den kan eksempelvis være af ansøgerens type MC. Cylinderboringen kan eksempelvis være beliggende i intervallet fra 35 til 110 cm, slaglængden fx i intervallet fra 80 til 400 cm, middeltrykket fx i intervallet fra 18 til 21 bar, og effekten per cylinder kan fx være beliggende i intervallet fra 400 til 7000 kW eller mere. Motoren er en rækkemotor med 7 cylindre.

Motorens akselsystem er opbygget af en krumtapaksel 2, der er koblet direkte til en propelleraksel 3 med en propeller 4, hvilket valgfrit kan ske direkte til propellerakslen eller via mindst en mellemaksel 5. Om ønsket kan der endvidere være indskudt en kobling mellem krumtapakslen og propellerakslen. Såfremt propelleren er af CP typen med variabel stigning kan der mellem krumtapakslen og propellerakslen være en oliefordelingsaksel, hvorigennem hydraulikvæske kan føres til eller fra propelleren for indstilling af dennes stigning. Alternativt er propelleren af FP typen med fast stigning.

Fig. 2 illustrerer et eksempel på torsionssvingningsformen med to knudepunkter. C1-C7 illustrerer beliggenheden af cylindrene i motoren, og P angiver beliggenheden af propelleren 4. Den indtegnede kurve d viser den relative torsionsdrejning for svingningsformen, dvs. den faktiske drejning ved den pågældende aksiale beliggenhed divideret med den maksimale torsionsdrejning i akslen. Skæringspunkterne k mellem kurven d og den vandrette akse viser beliggenhederne af knudepunkterne for torsionssvingningen. Det er klart, at kurven d kun er gældende for ét specifikt eksempel, og at udformningen af akselsystemet influerer på kurvens forløb og på beliggenheden af knudepunkterne.

Akselsystemet har en egenfrekvens for torsionssvingningsformen med to knudepunkter på n = 1210 cpm. Egenfrekvensen er på velkendt vis bestemt af forholdet mellem akselsystemets stivhed og masse. Motoren er en 7L60MC med en effekt på 9840 kW ved et nominelt omdrejningstal ved fuldlast på MCR = 107 rpm og et middeltryk på 14 bar. Motorens boring er 600 mm og slaglængden er 1944 mm. Hvis motoren efter installation i skibet ønskes ændret til at køre med fuldlast ved et lavere omdrejningstal for derved at mindske det specifikke brændselsforbrug, kan MCR mindskes indtil 101 rpm uden at foretage ændringer i akselsystemet, og hvis motoren ønskes ændret til at køre med fuldlast ved et højere omdrejningstal for derved at få større effekt, kan MCR ændres op til 123 rpm, der er den konstruktionsbestemte øvre grænse for den pågældende motor.

Krumtapakslen er af stål med en trækstyrke σ02 på 610 N/mm2, og den øvre grænse for acceptable nominelle spændinger i hovedlejesølerne som følge af torsionssvingninger er 30 N/mm2. Akselsystemet har en torsionsfleksibilitet på omtrent 37 nrad/Nm.

I tilfælde af, at de varierende torsionssvingninger er uønsket store, er der flere muligheder for at nedbringe spændingerne. Spændingsniveauet er en funktion af excitationskræfternes størrelse, der afhænger af cylindereffekten, og af svingningssystemets dynamiske forhold, der afhænger af det masse-elastiske system og motorens omdrejningshastighed, samt af en såkaldt vektorsum, der afhænger af de tidspunkter i motorcyklussen, i hvilke excitationskræfterne virker, nærmere angivet i form af cylindrenes tændingsvinkler.

Da motoren ønskes med en vis effekt, og da krumtapakslen så vidt muligt ønskes upåvirket af svingningsmæssige forhold, er det hensigtsmæssigt at undgå at ændre i det masse-elastiske system og i excitationskræfternes størrelse.

Med hensyn til vektorsummen er svingningsbidragene til torsionssvingningsformen med to knudepunkter sammensat af de tidsmæssigt varierende drejningsmomentbidrag fra de enkelte cylindre. Disse svingningsbidrag kan på velkendt vis opløses i harmoniske komponenter, og for hver orden i af disse, er der et resonansomdrejningstal ω, = n/i, hvor svingningsordenen er i resonans med akselsystemets egenfrekvens. Da en fremdrivningsmotor i et skib typisk kører stort set kontinuert ved sin fuldlastbelastning, er det især relevant at se på de harmoniske komponenter, der kan have resonans ved omdrejningstal i nærheden af MCR. Med en egenfrekvens for torsionssvingningsformen med to knudepunkter beliggende i intervallet fra 8,5-12,0 x MCR kan der ses nærmere på svingningerne af 9.-12. orden.

Der kan tages udgangspunkt i en syvcylindret motor af typen MC med tændfølgen C1 C7 C2 C5 C4 C3 C6 og ens tændingsvinkler, dvs. en drejningsvinkel på 360/7° = 51,4° mellem hver tænding. På basis heraf beregnes tændingsvinkler, der giver en lavere vektorsum for svingningerne af 9.-12. orden.

Et særligt fordelagtigt sæt tændingsvinkler er vist i fig. 3 med 0° for C1, 107,9° for C2, 257,1° for C3, 213.7° for C4, 157,3° for C5, 316,6° for C6 og 59,4° for C7. Disse tændingsvinkler udviser væsentlig lavere vektorsum for svingningerne af 9.-12. orden, uden at de øvrige svingningspa rametre, såsom de frie kræfter og momenter af 1. og 2. orden, guidekræfterne eller aksialsvingningerne i akselsystemet, ændrer sig mærkbart i negativ retning. Disse tændingsvinkler giver mulighed for, at akselsystemet udføres uden aktive elementer til dæmpning af torsionssvingninger på trods af, at akselsystemets egenfrekvens er valgt således, at den 9. 10. 11. og 12. orden af torsionssvingningerne har resonans nær punktet for kontinuert drift af motoren. Tændingsvinklerne kan varieres inden for vinkelforskelle på op til to grader. Andre sæt af tændingsvinkler er også mulige for opnåelse af fordelagtigt små bidrag til torsionssvingningerne fra ordenerne 9-12.

Som andre eksempler på syvcylindrede motorer, der med fordel kan anvende de i krav 2 og 3 nævnte tændingsvinkler, kan anføres en 7K80MC-C med en effekt på 21280 kW ved et omdrejningstal ved fuldlast på 97 rpm, en 7K98MC-C med en maksimaleffekt på 39970 kW ved et omdrejningstal ved fuldlast på 104 rpm samt andre motorstørrelser med boringer på eksempelvis 900 mm, 840 mm, 700 mm, 500 mm og 460 mm.

De ovennævnte tændingsvinkler giver en noget ujævn tændfølge, hvor der mellem de enkelte tændinger forløber krumtapdrejninger på hhv. 59,4°, 48,5°, 49,4°, 56,4°, 43,4°, 59,5° og 43,4°.

Såfremt akselsystemets egenfrekvens ligger væsentligt højere end 12 x MCR bliver den ønskede virkning for ringe, og der kan endvidere optræde svingningsbidrag fra 13. eller højere svingningsorden.

Claims (3)

1. Syvcylindret totakts krydshovedmotor (1) og et akselsystem, hvilket akselsystem omfatter motorens krumtapaksel (2) og i det mindste en propelleraksel (3), som kobler krumtapakslen direkte til en skibspropeller (4), kendetegnet ved, at akselsystemet er udformet således, at akselsystemets egenfrekvens for torsionssvingningsformen med to knudepunkter (k) er beliggende i intervallet fra 8,5-12,0 x MCR, hvor MCR er motorens omdrejningstal (rpm) ved fuld motorbelastning.

2. Syvcylindret totakts krydshovedmotor ifølge krav 1, k e n d e t e g -n e t ved, at tændingsvinklerne (α1-α7) for cylindrene C1-C7 er beliggende i intervallerne hhv. 358-2°, 105,9-109,9°, 257,1-259,1°, 211,7-215,7°, 155,3-159,3°, 314,6-318,6° og 57,4-61,4°, idet nummereringen af de syv cylindre er regnet enten fra motorens forende eller fra motorens bagende.

3. Syvcylindret totakts krydshovedmotor ifølge krav 2, kendeteg-n e t ved, at tændingsvinklerne er 0° for C1, 107,9° for C2, 257,1° for C3, 213.7° for C4, 157,3° for C5, 316,6° for C6 og 59,4° for 01.